水电站增容改造方案及自动化技术研究

范建军（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆 博乐 833400）

水电站增容改造方案及自动化技术研究

范建军
（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆 博乐 833400）

随着水力发电生产规模的扩大，水电站内部运行层次实现了优化升级，这对水电站发电生产效率提出了更高要求。为了改变早期小规模生产带来的不足，水电站开始对发电机组实施增容改造，以进一步扩大站内发电生产的运行能力。本文以具体工程为例，分析了水电站机组设备运行存在的问题，以水电站自动化为技术改革方向，提出水电站实现“少人值班、无人值守”工作模式的综合对策。

水电站；增容改造；自动化；研究

发电机组是决定水电站生产能力的关键设备，机组运行状态影响着整个水电站的生产效率。现状电站均位于水能资源都是较为丰富位置，但由于早期机组发电效率较低、机组老化等问题，发电效益较低，因此，我国水电站必须提出可行的增容改造方案，在现有机组基础上增容改造实现良好的经济收益。在增容改造方案实施期间，可采用自动化技术辅助项目运行，以确保获得最佳的机组改造成效。

1 工程概述

温泉火炬电站隶属于博州水力发电厂，位于温泉大桥水文站下游4.18km的博河南岸，博格达水电站下游2.7km处，地理坐标东经81°04′56.76″，北纬44°58′59.16″，火炬电站于1987年11月投产使用，电站装机容量2500kW（现状厂房共计3台机组，其中1#机组为预留机组，设计水头24.14m，设计流量15.0m3/s，年发电量1000万kW.h，年利用小时数4000h。

2 水电站机电设备存在问题

博州地区缺煤少电，资源匮乏，故必须大力发展可再生能源。同时由于水电增效扩容不需移民，不增加环境负担，开发成本和电能质量均优于风电、太阳能等同类清洁能源。水电站水轮机设备存在的问题:发电机绝缘老化，温升增加、滑环严重冒火，水轮机经过多年运行，转轮等过流部件磨损、变形现象严重，虽经补焊但叶片变厚、变粗糙与原设计误差较大，机组效率严重下降，自动化程度较低。水轮机等水力机械设备由于受到当时技术等方面的制约，水轮发电机组综合效率较低，加上多年运行，效率逐年下降。目前机组综合效率多在65%以下，其附属电气设备自动化程度较低，能耗高，故障多，部分设备属国家明令淘汰产品，备件已无从购买。

3 水电站增容改造自动化技术及方案

科学技术是推动水电站自动化建设的根本保障，机组增容改造必须结合信息科技，才能拟定更加完整的生产调度方案。自动化技术主要是实现“少人值班、无人值守”的目的，主要改造方法:

3.1 调度系统

根据计算机信息系统处理所得结果，发电控制室传递相关的指令信号，为发电配送与控制提供明确的指令。现代化发电调度操控中心要设定多种传输路径，避免信号传输过于集中而影响到控制效率。比如，选择智能化传输路径为主控模式，由服务器自动选择路径完成信号传输命令，减小了人工操作作业的难度。

3.2 控制系统

电力控制系统实现了电气设备运行的优化配置，为发电设备调度提供了多元化作业平台。电力信号是传输用电指令的主要载体，借助电力信号可实现系统调控的自动化模式，帮助企业解决发电设备调度运行的不足。基于自动化科技改良趋势下，电力企业开始把用电信号与智能系统联用，扩大了电信号工作范围及调控领域。对发电数据实施跟踪采集，及时收录于发电相关的数据信息，为控制室调度提供真实的参考。

3.3 监控系统

对机组数据及时存储是信息系统的主控功能，机组控制室人员有选择地存储数据信息，为发电站发电使用与分配提供参考。水电站采用事故报警技术，实现故障的自动化报警与处理，这也是增容改造中不可缺少的一部分。例如，为了适应水电站自动化平台的传输要求，需做好水电站内部用电、用水、用气的安全监控，科学地利用智能化口令完成事故报警操作。

4 水轮机增容综合改造方案

更换水轮机转轮及附属设备改造。将现有水轮机转轮更换为H L J F 3017-L J-120，更换原发电机原线圈，采用云母复合薄膜材料缠裹导线，复合绝缘纸作衬垫，占用空间较小。绝缘材料的更新不仅使绝缘等级提高到F级，增设机前蝶阀，型号为D 941X -0.6，DN 1800，对电站自动化控制系统改造。

4.1 水轮机参数

水电站先用水轮机型号为 H L 240-L J-120，依据H L 240-L J-120机组型谱图可知，发电机效率η电=95%，则水轮机单机出力为:

N=N装/η电=1250/0.95=1316k W根据电站的设计水头及水头变化范围，查H L 240-46模型综合特性曲线见图1。

图1 H L 240-46模型综合特性曲线

（1）确定水轮机转轮直径

根据H L 240系列转轮综合特性曲线上查得模型最优单位转速η11m=72.0γ/m i n，模型最高效率η m a X=91.5%，自η11m点作水平线与5%出力限制线相交，交点相应的单位流量Q11=1240L/s。此工况对模型机效率为η m=90.4%，假设效率修正系数取2.0%，则水机效率

η水=η m-2.5%=90.4%-5.0%=87.9%，则水轮机转轮直径为:

根据转轮直径尺寸确定D1=1.2m（与原机组转轮直径一致）。

（2）计算效率修正值

对混流式水轮机，当H＜150m时，用下式计算，其中 D1M=0.46m，ηM·maX=91.5%，D1= 1.20m，故:

采用工艺修正值Δ η3=2.5%，则效率修正值为:由此时的水轮机在限制工况的效率为:

ηmaX=ηM·maX+Δ η=91.5%-1.02%=90.48%

（3）计算单位转速

故单位转速不予修正。

（4）计算水轮机转速n

选择现状水轮发电机同期转速，300γ/m i n，与现状一致。

（5）计算允许吸出高度Hs

在设计水头时，水轮机实际工作点为转速73.3γ/m i n，流量990L/s，在综合特性曲线上查得气蚀系数σ=0.19，同时Δ σ=0.042，则吸出高度

4.2 替代水轮机转轮参数

根据电站的设计水头及水头变化范围，查《反击式水轮机转轮暂行系列型谱》，选用 H L J F 3017系列。依据H L J F 3017-35机组模型综合特性曲线可知，见图2，发电机效率η电=95%，则水轮机单机出力为:

图2 H L J F 3017-35机组模型综合特性曲线

（1）计算转轮直径D1

根据H L J F 3017系列转轮综合特性曲线上查得模型最优单位转速 n1′0=72.0γ/m i n，最高效率ηM=94.06%，单位流量采用与n1′0相应出力限制线上（5%）的单位流量Q1′=1400L/s，此工况对模型机效率ηm=87.8%，假设效率修正系数Δ η=2.5%，则水机效率初步计算可采用η=ηm+Δ η=90.3%，故水轮机转轮直径为:

取直径D1=1.2m。

（2）计算效率修正值

对混流式水轮机，当H＜150m时，用下式计算，其中D1M=0.35m，ηM·maX=94.06%，D1= 1.2m，故:

采用工艺修正值 Δ η3=2.5%，则效率修正值为:

Δ η值与原假设值基本相符，故D1转轮直径选择正确，

（3）计算单位转速

故单位转速不予修正。

（4）计算水轮机转速n根据水轮发电机同期转速，选用n=300γ/m i n。（5）计算允许吸出高度H s

在设计水头时，水轮机实际工作点为转速74.6γ/m i n，流量1190L/s，在H L J F 3017-35机组模型综合特性曲线上查得σ=0.103，则吸出高度1.2*0.103*23.27=5.79m现状吸出高度为 1.85m，满足最小吸出高度的要求。

4.3 更换新型转轮的型式增容比较

根据电站现状及存在的主要问题，为充分利用水能和提高设备利用率，保证机组安全、稳定、高效运行，必须对水轮发电机组改造方案进行认真分析、论证。更换新型高效水轮机转轮的型式增容根据电站的具体条件与技改目标优化设计采用新型的水轮机转轮替代现状水轮机转轮，理论上可是电站增容20%左右。施工工期短，投资较低，对电站正常运行影响不大。

（1）H L 240与H L J F 3017转轮的性能比较

温泉县火炬电站 H L 240机组，在限制工况点单位转速为 72r/m i n，额定出力时的单位流量912.0L/s，而改造后的转轮，限制单位流量期望值为1400L/s。经分析，在已有几何参数相近、性能较优的转轮筛选后，初选H L J F 3017转轮，二者参数对比见表1。

表1 两种转轮参数对比表

（2）机组预期最大出力

根据HLJF3017综合特性曲线，在设计工况单位转速74.6r/min时，单位流量Q1′=1190L/s，效率η为89.35%，根据计算可知，机组出力可达到1600kW，增幅在3%左右，可使水轮发电机组得到比较充分的利用。

（3）空化系数的比较

一般来说，空化系数随着比转速的增加而增加，由表1可见，HLJF3017转轮与H L240转轮相比，HLJF3017的过流能力大于HL240，而空化系数σ却小于HL240，说明HLJ F3017转轮的优越性。

HL240机组的单位转速为73.3r/min，限制单位流量为1240L/s，空化系数为0.19；而HLJF3017的限制单位流量为1400L/s，空化系数为0.103。由此可见，HLJF3017转轮比HL240转轮，过流能力大为提高，空化系数不但没有增加反而有大幅度的下降。

（4）效率特性比较

根据H LJF3017转轮和HL240转轮模型特性曲线，得出两转轮在转速为74.3r/min时，模型效率对比表见表2。

表2 两种转轮模型效率对应的单位流量值

由表2可知，当1.095m3/s＜Q＜1.4m3/s的运行区域，H L J F 3017的效率要比H L 240的高出4%左右，在小流量运行时，H L J F 3017能保证在枯水期的运行，也就是说，更换转轮后，除增加单位流量带来的发电量外，还能额外获得水力效率提高增加的发电量。单机流量由原设计7.5m3/s增加至8.0m3/s（上述计算含第三章水能计算均按单机流量8.0m3/s计算）。根据上述比较，可以看出采用H L J F 3017转轮替代现有H L 240转轮，可使机组出力从1250kW增加至1600kW。

因此，根据电站现状及存在的主要问题，为充分利用水能和提高设备利用率，保证机组安全、稳定、高效运行，必须对水轮发电机组改造方案进行认真分析、论证。更换新型高效水轮机转轮的型式增容根据电站的具体条件与技改目标优化设计采用新型的水轮机转轮替代现状水轮机转轮，理论上可使电站增容20%左右。施工工期短，投资较低，对电站正常运行影响不大。

5 结论

对水电站机组实施增容改造，不仅扩大了电站内部作业的生产效率，也实现了机组运行模式的优化转变，创建“少人值班、无人值守”的工作模式。可消除坝体漂浮杂物进水轮机组造成工程安全隐患，保证电站正常引水发电，减少因杂物进入机组，致使水翻过坝顶水淹毁厂房，导致运行人员安全运行的隐患，同时也是保障下游农田灌溉及水利设施安全的前提条件。

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［3］陆大为，林环兴.小型水电站增容改造的体会［J］.中国农村水利水电，2007（03）.

TV 73

：B

：1672-2469（2015）03-0052-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.020

范建军（1981年—），男，工程师。